長三角G60雷射聯盟導讀
據悉，斯坦福大學的科研人員報道在晶片上制造出實用的藍寶石钛雷射器：钛：藍寶石-絕緣體內建雷射器和放大器。相關研究以“Titanium:sapphire-on-insulator integrated lasers and amplifiers”為題發表在《Nature》上。
钛：藍寶石（Ti：sapphire）雷射器對于推進基礎研究和技術應用，包括開發光頻梳、雙光子顯微鏡和實驗量子光學至關重要。钛藍寶石雷射器在帶寬和調諧範圍方面無與倫比，但是，這種性能的代價也是高昂的。钛藍寶石雷射器體積龐大，大約有一立方英尺。它們價格昂貴，每台售價數十萬美元。它們還需要其他高功率雷射器為其提供足夠的能量，才能正常工作，而這些雷射器本身的價格就高達 3萬美元。由于其體積大、成本高、需要高光泵浦功率，其使用受到限制。是以，钛：藍寶石雷射器從未在實際中得到應有的廣泛應用--直到現在。
在這裡，研究人員展示了一種單晶钛：藍寶石-絕緣體（Ti:SaOI）光子平台，該平台可實作钛：藍寶石技術的大幅微型化、成本降低和可擴充性。在規模、效率和成本方面實作了巨大飛躍，在晶片上制造出了钛藍寶石雷射器。與以往生産的任何钛藍寶石雷射器相比，與目前的任何其他钛藍寶石雷射器相比，這一原型機的體積縮小了4個數量級（即原來的萬分之一），成本降低了3個數量級（即原先的千分之一）。無論在規模效率方面，還是在成本方面，這一成果都是一次巨大進步。
首先，通過制造低損耗回音壁模式諧振器，研究人員實作了超低、亞毫瓦級雷射門檻值的钛藍寶石雷射器。然後，通過對Ti:SaOI波導中的模式限制進行數量級的改進，研究人員實作了工作在1μm以下的內建固态（即非半導體）光放大器。研究人員展示了前所未有的無失真皮秒脈沖放大，峰值功率達到1.0kW。最後，研究人員展示了一種可調諧的內建钛：藍寶石雷射器，它可以用低成本、微型、現成的綠色雷射二極管泵浦。這為钛藍寶石雷射器的新模式打開了大門，例如可用于多種應用的大規模可擴充钛藍寶石雷射陣列系統。作為概念驗證示範，研究人員使用 Ti:SaOI 雷射陣列作為碳化矽中人造原子空腔量子電動力學實驗的唯一光學控制裝置。這項工作是實作钛：藍寶石技術平民化的關鍵一步，它将成本和體積降低了三個數量級，并引入了亞微米波長光的固态寬帶放大技術。
圖 1：單晶絕緣藍寶石中的低損耗光子學和亞毫瓦門檻值钛：藍寶石雷射器。
在這項工作中，研究人員在一個單晶絕緣體上藍寶石光子平台上展示了晶片內建、寬帶可調諧和可擴充的钛藍寶石雷射器和放大器。在沒有設計優化的情況下，本研究中的雷射器已經達到或超過了商業解決方案的調諧範圍。低門檻值和非共振泵浦緊湊型Ti:SaOI雷射器取代了複雜且昂貴(> 10萬美元)的Ti:藍寶石雷射系統，使成本和尺寸降低了三個數量級，整個系統的功耗降低了兩個數量級。這将導緻高性能钛藍寶石雷射器的民主化，對研究和技術産生重大影響。
圖 2：Ti:SaOI內建光放大器。
在這項工作中，研究人員在單晶藍寶石-絕緣體光子學平台上展示了晶片內建、寬帶可調諧和可擴充的钛:藍寶石雷射器和放大器。無需優化設計，本研究中的雷射器就能達到或超過商業解決方案的調諧範圍。低門檻值和非共振泵浦的緊湊型钛：SaOI雷射器取代了複雜而昂貴（大于10萬美元）的钛：藍寶石雷射系統，使成本和尺寸減少了三個數量級，整個系統的功耗降低了兩個數量級。這将使高性能钛：藍寶石雷射器平民化，對研究和技術産生重大影響。
圖 3：寬調諧、窄線寬晶片內建钛：藍寶石雷射器。
圖 4：由內建Ti:SaOI雷射器驅動人工原子的量子光子學。
在晶片上內建钛：藍寶石技術是實作大規模可擴充钛：藍寶石系統的決定性一步，包括單片系統和與無源材料內建的系統。本研究提出的方法與氮化矽和铌酸锂等平台的共同內建相容，可實作亞微米波長頻率靈活的钛：藍寶石雷射器、內建倍頻雷射器、片上超連續發生器和內建光參量放大器。
圖 5：二極管泵浦片上钛：藍寶石雷射器。
圖 6：Ti:SaOI 器件制造技術流程。
在量子實體學領域，這種新型雷射器提供了一種低成本而實用的解決方案，可以大大縮小最先進量子計算機的規模。
在神經科學領域，研究人員可以預見它在光遺傳學中的直接應用，該領域允許科學家用相對笨重的光纖在大腦内部引導光線來控制神經元。他們說，小型雷射器可能被內建到更緊湊的探針中，開辟新的實驗途徑。
在眼科領域，它可能與獲得諾貝爾獎的啁啾脈沖放大技術一起在雷射手術中找到新的用途，或者提供更便宜、更緊湊的光學相幹斷層掃描技術，用于評估視網膜健康狀況。
下一步，該團隊将緻力于完善晶片級钛：藍寶石雷射器，并研究如何在晶圓上批量生産這種雷射器，一次可生産數千台。研究人員稱，在一塊 4 英寸的晶圓上安裝數千台雷射器。每個雷射器的成本就幾乎為零，這太令人興奮了。
論文連結：
Jelena Vučković, Titanium:sapphire-on-insulator integrated lasers and amplifiers, Nature (2024). DOI: 10.1038/s41586-024-07457-2. www.nature.com/articles/s41586-024-07457-2
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